tl494を使用した高出力、高効率のブーストコンバータの設計

電子機器を扱っていると、入力電圧が低いままで出力電圧を上げる必要がある状況に遭遇することがよくあります。これは、一般にブーストコンバータとして知られている回路に頼ることができるタイプの状況です（ステップアップコンバータ）。ブーストコンバータは、一定の電力バランスを維持しながら電圧を昇圧するDC-DCタイプのスイッチングコンバータです。ブーストコンバータの主な特徴は効率です。つまり、長いバッテリ寿命と熱の問題の軽減が期待できます。以前、簡単なブーストコンバータ回路を作成し、その基本的な設計効率について説明しました。

そこで、この記事では、TL494ブーストコンバータを設計し 、最小供給電圧が7V、最大が40V の人気のTL494 ICに基づいて、高効率のブーストコンバータ回路を計算してテストします。IRFP250 MOSFETをスイッチとして使用しています。この回路は、理論的には最大19アンペアの電流を処理できます（インダクタ容量によって制限されます）。最後に、回路の動作部分とテスト部分を示す詳細なビデオがあるので、これ以上面倒なことはせずに始めましょう。

ブーストコンバータの動作原理を理解する

上の図は、ブーストコンバータ回路の基本的な回路図を示してい ます。この回路の動作原理を分析するために、2つの部分に分けます。最初の条件はMOSFETがオンのときに何が起こるかを説明し、2番目の条件はMOSFETがオフのときに何が起こるかを説明します。

MOSFETがオンの場合はどうなりますか？

上の画像は、MOSFETがオンのときの回路の状態を示しています。ご存知のように、破線を使用してオン状態を示しました。MOSFETがオンのままになると、インダクタが充電を開始し、インダクタを流れる電流が増加し続け、磁場の形で蓄積されます。

MOSFETがオフの場合はどうなりますか？

ご存知かもしれませんが、インダクタを流れる電流は瞬時に変化することはありません。それは磁場の形で保存されているからです。そのため、MOSFETがオフになり、磁界が崩壊し始め、充電電流とは逆方向に電流が流れます。上の図でわかるように、これによりコンデンサの充電が開始されます。

ここで、スイッチ（MOSFET）のオンとオフを継続的に行うことにより、入力電圧よりも高い出力電圧を作成しました。これで、スイッチのオン時間とオフ時間を制御することで出力電圧を制御できます。これが主回路で行っていることです。

TL494の動作を理解する

TL494 PWMコントローラーに基づいて回路を構築する前に、PWMコントローラーTL494がどのように機能するかを学びましょう。TL494 ICには8つの機能ブロックがあり、以下に示して説明します。

5Vリファレンスレギュレータ：

5Vの内部リファレンスレギュレータ出力は、ICのピン14であるREFピンです。リファレンスレギュレータは、パルスステアリングフリップフロップ、発振器、デッドタイム制御コンパレータ、PWMコンパレータなどの内部回路に安定した電源を提供するためにあります。レギュレータは、出力の制御を担当するエラーアンプを駆動するためにも使用されます。

注：リファレンスは内部で±5％の初期精度にプログラムされており、7V〜40Vの入力電圧範囲で安定性を維持します。7V未満の入力電圧の場合、レギュレータは入力の1 V以内で飽和し、それを追跡します。

オシレーター：

発振器は鋸歯状波を生成し、さまざまな制御信号のデッドタイムコントローラとPWMコンパレータに提供します。

発振器の周波数は、タイミングコンポーネント選択して設定することができるR T及びC Tを。

発振器の周波数は次の式で計算できます-

Fosc = 1 /（RT * CT）

簡単にするために、頻度を非常に簡単に計算できるスプレッドシートを作成しました。以下のリンクで見つけることができます。

注：発振器周波数は、シングルエンドアプリケーションの場合のみ出力周波数と同じです。プッシュプルアプリケーションの場合、出力周波数は発振器周波数の半分です。

デッドタイムコントロールコンパレータ：

デッドタイムまたは単にオフタイム制御は、最小のデッドタイムまたはオフタイムを提供します。デッドタイムコンパレータの出力は、入力の電圧が発振器のランプ電圧よりも大きい場合、スイッチングトランジスタをブロックします。DTCピンに電圧を印加すると、追加のデッドタイムが発生する可能性があるため、入力電圧が0から3Vまで変化するときに、最小の3％から100％まで追加のデッドタイムが発生します。簡単に言うと、エラーアンプを調整することなく、出力波のデューティサイクルを変更できます。

注： 110 mVの内部オフセットにより、デッドタイム制御入力が接地された状態で3％の最小デッドタイムが保証されます。

エラーアンプ：

両方の高ゲインエラーアンプは、VI電源レールからバイアスを受け取ります。これにより、VIよりも–0.3 V〜2V低いコモンモード入力電圧範囲が可能になります。両方のアンプは、各出力がアクティブHighのみであるという点で、シングルエンド単電源アンプの特徴として動作します。

出力-制御入力：

出力制御入力は、出力トランジスタがパラレルモードで動作するかプッシュプルモードで動作するかを決定します。13番ピンである出力制御ピンをグランドに接続することにより、出力トランジスタを並列動作モードに設定します。ただし、このピンを5V-REFピンに接続すると、出力トランジスタがプッシュプルモードに設定されます。

出力トランジスタ：

このICには、オープンコレクタ構成とオープンエミッタ構成の2つの内部出力トランジスタがあり、最大200mAの最大電流をソースまたはシンクできます。

注：トランジスタの飽和電圧は、エミッタ接地構成では1.3 V未満、エミッタ接地構成では2.5V未満です。

TL494ベースのブーストコンバータ回路を構築するために必要なコンポーネント

以下に示すすべての部品を含む表。その前に、この回路で使用されているすべてのコンポーネントを示す画像を追加しました。この回路はシンプルなので、地元のホビーショップで必要な部品をすべて見つけることができます。

パーツリスト：

1. TL494 IC-1
2. IRFP250MOSFET-1
3. ネジ留め式端子5X2mm-2
4. 1000uF、35Vコンデンサ-1
5. 1000uF、63Vコンデンサ-1
6. 50K、1％抵抗-1
7. 560R抵抗-1
8. 10K、1％抵抗-4
9. 3.3K、1％抵抗-1
10. 330R抵抗器-1
11. 0.1uFコンデンサ-1
12. MBR20100CTショットキーダイオード-1
13. 150uH（27 x 11 x 14）mmインダクタ-1
14. ポテンショメータ（10K）トリムポット-1
15. 0.22R電流検出抵抗-2
16. クラッドボードジェネリック50x50mm-1
17. PSUヒートシンクジェネリック-1
18. ジャンパーワイヤージェネリック-15

TL494ベースのブーストコンバータ-回路図

高効率ブーストコンバータの回路図を以下に示します。

TL494ブーストコンバータ回路–動作中

このTL494ブーストコンバータ回路は、非常に簡単に入手できるコンポーネントで構成されています。このセクションでは、回路のすべての主要なブロックを調べ、すべてのブロックについて説明します。

入力コンデンサ：

入力コンデンサは、MOSFETスイッチが閉じてインダクタが充電を開始するときに必要な高電流需要に対応するためにあります。

フィードバックと制御ループ：

抵抗R2とR8はフィードバックループの制御電圧を設定し、設定電圧はTL494 ICのピン2に接続され、フィードバック電圧は VOLTAGE_FEEDBACK とラベル付けされたICのピン1に接続されます。抵抗R10とR15は、回路の電流制限を設定します。

抵抗R7とR1は制御ループを形成し、このフィードバックの助けを借りて、出力PWM信号は線形に変化します。これらのフィードバック抵抗がないと、コンパレータは一般的なコンパレータ回路のように動作し、設定電圧でのみ回路をオン/オフします。 。

スイッチング周波数の選択：

ピン5と6に適切な値を設定することで、このICのスイッチング周波数を設定できます。このプロジェクトでは、1nFのコンデンサ値と10Kの抵抗値を使用して、約100KHzの周波数を使用しました。式 Fosc = 1 /（RT * CT） 、 発振器周波数を計算できます。それ以外のセクションについては、この記事の前半で詳しく説明しました。

TL494ベースのブーストコンバータ回路のPCB設計

位相角制御回路のPCBは、片面基板で設計されています。私はEagleを使用してPCBを設計しましたが、任意の設計ソフトウェアを使用できます。私のボードデザインの2D画像を以下に示します。

ボードの下側にあるように、十分な電流が流れるように厚いグランドプレーンを使用しました。電源入力はボードの左側にあり、出力はボードの右側にあります。完全な設計ファイルとTL494Boostコンバータの回路図は、以下のリンクからダウンロードできます。

• TL494ベースのブーストコンバータ回路用のPCBデザインガーバーファイルをダウンロード

手作りPCB：

便宜上、PCBの手作りバージョンを作成しました。これを以下に示します。このPCBの作成中にいくつかの間違いを犯したため、それを修正するためにいくつかのジャンパー線を古くする必要がありました。

ビルドが完了すると、私のボードは次のようになります。

TL494ブーストコンバータの設計計算と構築

この大電流ブーストコンバータのデモンストレーションで は、回路図とPCB設計ファイルを使用して、回路を手作りのPCBで構築します。このブーストコンバータ回路の出力に大きな負荷を接続すると、PCBトレースに大量の電流が流れ、トレースが焼損する可能性があることに注意してください。そのため、PCBトレースが焼損するのを防ぐために、トレースの厚さを可能な限り増やしました。また、トレース抵抗を下げるために、PCBトレースを厚いはんだ層で補強しました。

インダクタとコンデンサの値を適切に計算するために、テキサスインスツルメンツのドキュメントを使用しました。

その後、計算を簡単にするためにグーグルスプレッドシートを作成しました。

この高電圧ブーストコンバータ回路のテスト

回路をテストするには、次の設定を使用します。ご覧のとおり、PC ATX電源を入力として使用しているため、入力は12Vです。回路の出力には、出力電圧と出力電流を示す電圧計と電流計を取り付けています。これから、この回路の出力電力を簡単に計算できます。最後に、消費電流をテストするための負荷として、8つの4.7R10W電力抵抗器を直列に使用しました。

回路のテストに使用されるツール：

1. 12V PCATX電源
2. 6-0-6タップと12-0-12タップの変圧器
3. 直列の8個の10W4.7R抵抗器-負荷として機能
4. Meco 108B + TRMSマルチメータ
5. Meco 450B + TRMSマルチメータ
6. スクリュードライバー

ハイパワーブーストコンバータ回路の出力消費電力：

上の画像でわかるように、出力電圧は44.53V、出力電流は2.839Aなので、合計出力電力は126.42Wになります。ご覧のとおり、この回路は100ワットを超える電力を簡単に処理できます。

さらなる機能強化

このTL494ブーストコンバータ回路はデモンストレーションのみを目的としているため、回路の入力または出力セクションに保護回路は追加されていません。したがって、保護機能を強化するために、IRFP250 MOSFETを使用しているので、出力電力をさらに強化することもできます。回路の制限要因はインダクタです。インダクタのコアが大きいほど、出力容量が増加します。

この記事が気に入って、そこから何か新しいことを学んだことを願っています。疑問がある場合は、以下のコメントで質問するか、フォーラムを使用して詳細なディスカッションを行うことができます。